腫瘤局部的缺氧微環(huán)境與前列腺癌轉(zhuǎn)移

郭愛鑫，王慧萍

(1.國家衛(wèi)生健康委科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院研究生院，北京 100730)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是老年男性泌尿生殖系統(tǒng)常見的惡性腫瘤。近年來隨著人們生活水平的提高、人口結(jié)構(gòu)的老齡化、飲食結(jié)構(gòu)的改變，以及男性激素使用不當(dāng)?shù)仍?，PCa發(fā)病率呈上升趨勢，已高居泌尿系統(tǒng)腫瘤的前三位[1]，在男性癌癥中發(fā)病率僅次于肺癌且發(fā)病年齡日趨年輕化[2]。2009年中國城市地區(qū)前列腺癌發(fā)病率和死亡率分別為13.31/10萬和5.30/10萬，且每年增長率高達(dá)12.07%；而2015年發(fā)病率和死亡率分別為60.3/10萬和26.6/10萬，數(shù)據(jù)表明前列腺癌已成為威脅中國男性健康的主要因素[3]。前列腺癌預(yù)后差，與其遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，因此預(yù)防或降低PCa轉(zhuǎn)移對延長患者的生存期具有重要意義。前列腺癌細(xì)胞的增殖、浸潤及轉(zhuǎn)移由多種因素調(diào)控，有證據(jù)表明缺氧是許多實(shí)體腫瘤局部微環(huán)境改變的主要特征，腫瘤局部缺氧也是造成PCa轉(zhuǎn)移的重要因素之一，腫瘤局部的缺氧微環(huán)境促進(jìn)腫瘤細(xì)胞由良性向惡性進(jìn)展，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞耐藥及轉(zhuǎn)移侵襲[4-5]。本文就腫瘤局部缺氧微環(huán)境促進(jìn)PCa轉(zhuǎn)移的機(jī)制及其研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期對前列腺癌細(xì)胞遷移侵襲的預(yù)防和治療提供新的思路。

一、缺氧誘導(dǎo)因子1對前列腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用

缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor 1，HIF-1) 是一種異二聚體，分別由氧調(diào)控性表達(dá)的HIF-1α亞基及構(gòu)造型HIF-1β亞基所組成，是一種氧依賴性轉(zhuǎn)錄激活因子。HIF-1α是HIF-1特有的活性亞單位，決定HIF-1的活性。在有氧狀態(tài)下HIF-1α表達(dá)不穩(wěn)定，而在缺氧狀態(tài)下HIF-1α可迅速變得穩(wěn)定。HIF-1α僅存在于缺氧細(xì)胞核中，在細(xì)胞缺氧時(shí)產(chǎn)生，參與調(diào)控缺氧時(shí)細(xì)胞代謝中的氧含量和相關(guān)基因的表達(dá)。HIF-1對機(jī)體調(diào)節(jié)具有雙重作用：一方面，當(dāng)心、腦、腎等機(jī)體重要臟器缺血時(shí)，啟動(dòng)機(jī)體自身的系列保護(hù)性反應(yīng)；另一方面，HIF-1的作用體現(xiàn)在可調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的氧合狀態(tài)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、新生血管的生成、誘發(fā)上皮與間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchyme transformation，EMT)、促進(jìn)外泌體分泌，導(dǎo)致腫瘤組織在局部缺氧條件下仍可繼續(xù)生長，進(jìn)而引發(fā)后期腫瘤的轉(zhuǎn)移、侵襲以及術(shù)后復(fù)發(fā)，并降低腫瘤對化療的敏感性使病情惡化難以治療[6]。

研究表明，HIF-1在許多人類實(shí)體腫瘤中過表達(dá)并上調(diào)缺氧相關(guān)基因，如E鈣黏蛋白轉(zhuǎn)錄抑制因子、Twist家族堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子(Twist)、鋅指蛋白E-盒結(jié)合同源異形盒-1 (zinc finger E-box binding homeobox factor 1，ZEB1)、叉頭框轉(zhuǎn)錄因子M1 (forkhead box transcription factor M1，F(xiàn)OXM1)等[7-9]。EMT被認(rèn)為是胚胎發(fā)育和腫瘤形成過程中的關(guān)鍵事件。HIF-1可誘導(dǎo)不可逆EMT轉(zhuǎn)化，并促進(jìn)前列腺癌進(jìn)展[10]。Yoo等[11]研究結(jié)果表明，慢性缺氧可以驅(qū)動(dòng)不可逆性的EMT轉(zhuǎn)化，該過程主要依賴于突變的HIF-1α誘導(dǎo)，而不是通過傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄激活。前列腺上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為間充質(zhì)細(xì)胞后獲得腫瘤特性，且表現(xiàn)出晚期癌癥的某些特征。許多研究表明，HIF-1不僅可誘導(dǎo)人前列腺癌細(xì)胞的EMT，也可促進(jìn)前列腺腫瘤微血管的形成和前列腺腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)的降解[12-13]。缺氧狀態(tài)下，HIF-1α啟動(dòng)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)并增加VEGF表達(dá)，同時(shí)，HIF-1α調(diào)控促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)轉(zhuǎn)錄激活，二者共同作用影響前列腺腫瘤癌組織新生血管的形成。此外，HIF-1α可增加基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的表達(dá)，從而促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞侵襲、轉(zhuǎn)移[14]。其中，MMP-2是降解細(xì)胞外基質(zhì)的主要分子，可加速細(xì)胞外基質(zhì)的降解，破壞前列腺癌細(xì)胞侵襲的組織學(xué)屏障。當(dāng)前列腺癌細(xì)胞處于缺氧微環(huán)境時(shí)，HIF-1α表達(dá)水平迅速提高，進(jìn)而激活MMP表達(dá)，促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移。近期研究還發(fā)現(xiàn)，缺氧可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞中組蛋白脫甲基酶(plant homeodomain finger protein 8，PHF8)的表達(dá)。具有內(nèi)在組蛋白脫甲基酶活性的PHF8，可促進(jìn)雄激素受體(Androgen Receptor，AR)轉(zhuǎn)錄激活。因此，HIF/PHF8/AR軸可能促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞增殖、遷移和入侵[15]。

二、缺氧誘發(fā)EMT

EMT是上皮細(xì)胞失去極性并轉(zhuǎn)換為間質(zhì)細(xì)胞表型的過程。癌性上皮細(xì)胞在初始轉(zhuǎn)化后，通過黏附分子的持續(xù)表達(dá)和完整的基底膜，在原發(fā)部位局限性生長。然而，隨著癌癥的進(jìn)展，一些位于原發(fā)腫瘤周圍的細(xì)胞被認(rèn)為是通過EMT程序獲得了間質(zhì)特性，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞向局部和遠(yuǎn)處組織的轉(zhuǎn)移侵襲[16]。EMT在胚胎發(fā)育過程中具有十分重要的地位，對正常人體組織和腫瘤組織的細(xì)胞可塑性起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。腫瘤細(xì)胞黏附的喪失是這一過程中的一個(gè)重要因素。E-鈣黏蛋白(E-cadherin)是一種鈣依賴性跨膜糖蛋白，可介導(dǎo)細(xì)胞之間互相粘附，調(diào)節(jié)正常細(xì)胞間連結(jié)的形成和維護(hù)。它是黏附連接的關(guān)鍵組成部分，通過親同性相互作用連接相鄰的細(xì)胞，也有一些細(xì)胞通過多烯復(fù)合物連接到固定于細(xì)胞骨架上的E-鈣黏蛋白細(xì)胞質(zhì)的尾部，而不是直接連接到細(xì)胞骨架上[17-18]。在EMT過程中，腫瘤細(xì)胞脫去上皮細(xì)胞的某些特性，如細(xì)胞間的黏附性、細(xì)胞極性，發(fā)生細(xì)胞骨架改變，向間充質(zhì)表型轉(zhuǎn)變并獲得高度的運(yùn)動(dòng)性和侵襲性。

EMT過程是一個(gè)非常復(fù)雜的分子過程，多種信號(hào)都能夠觸發(fā)EMT過程，如缺氧、上皮細(xì)胞與間質(zhì)細(xì)胞間的相互作用以及黏附因子等。許多能啟動(dòng)EMT過程的信號(hào)分子和特定的轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors，TF)組建了一個(gè)可調(diào)控的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)[19]。在EMT-TF信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中，有4種重要轉(zhuǎn)錄因子(Twist、ZEB1、Snail和Slug)直接或間接抑制E-cadherin表達(dá)，調(diào)節(jié)細(xì)胞抗凋亡及增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的能力[20]。這些因子及其參與組成的信號(hào)通路下調(diào)粘附連接分子E-cadherin的表達(dá)，而E-cadherin是上皮細(xì)胞的特異性標(biāo)志物，主要功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞間接觸、細(xì)胞形態(tài)和極性。同時(shí)，癌細(xì)胞褪去上皮特性伴隨著間質(zhì)特征的增加，包括波形蛋白、平滑肌肌動(dòng)蛋白、纖連蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶和N-鈣黏蛋白(N-cadherin)的表達(dá)增加，以及體外單層培養(yǎng)時(shí)向成纖維細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)變[21]。

前列腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移涉及多個(gè)步驟，其中EMT一度被認(rèn)為是不可或缺的[22]。許多證據(jù)表明[9]，糾正癌細(xì)胞周圍組織缺氧微環(huán)境，能有效抑制EMT，一定程度上抑制前列腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，但其分子機(jī)制還不太明確。因此，研究缺氧微環(huán)境下腫瘤細(xì)胞發(fā)生EMT的調(diào)控機(jī)制，對于深入了解PCa細(xì)胞侵襲遷移的分子機(jī)制十分重要。

三、缺氧促進(jìn)前列腺癌新生微血管形成

前列腺癌細(xì)胞的遷移侵襲也是需要能量的。因此，新生血管形成對前列腺癌發(fā)生和轉(zhuǎn)移至關(guān)重要[23]。HIF-1α和VEGF是調(diào)節(jié)血管生成的主要因子，在前列腺癌組織微血管形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[24-25]。當(dāng)前列腺癌細(xì)胞處于缺氧微環(huán)境，HIF-1α因子表達(dá)增加，在加強(qiáng)腫瘤組織細(xì)胞 VEGF mRNA 穩(wěn)定性的同時(shí)，又會(huì)增強(qiáng) VEGF受體的轉(zhuǎn)錄。研究表明[26]，VEGF5’端增強(qiáng)子內(nèi)存在HIF-1α的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)前列腺癌細(xì)胞處于缺氧狀態(tài)時(shí)，HIF-1α與VEGF5’端增強(qiáng)子相結(jié)合可以誘導(dǎo)并增加VEGF轉(zhuǎn)錄活性和VEGF表達(dá)。VEGF受體分為1型和2型，主要存在于血管內(nèi)皮細(xì)胞的表面。缺氧微環(huán)境中前列腺癌細(xì)胞VEGF生物學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)，VEGF以旁分泌的方式作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞的兩種類型受體，激活細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)缺血信號(hào)通路，促進(jìn)缺氧局部組織新生血管，從而緩解癌組織、細(xì)胞的缺氧缺血，調(diào)節(jié)其新陳代謝，為癌細(xì)胞的增殖分化及侵襲遷移提供物質(zhì)和能量[26-28]。同時(shí)，缺氧狀態(tài)下前列腺癌細(xì)胞增加分泌的VEGF，也可促進(jìn)淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞分裂和增殖，介導(dǎo)生成淋巴管，增加前列腺癌組織內(nèi)淋巴管數(shù)量，為前列腺癌的淋巴轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件，導(dǎo)致術(shù)后復(fù)發(fā)、病情惡化。有報(bào)道稱[29]，缺氧激活核因子κB(NF-κB)/HIF-1α/VEGF通路，可調(diào)控血管生成，進(jìn)而促進(jìn)前列腺癌發(fā)生、發(fā)展。

前列腺癌血管生成是腫瘤細(xì)胞和宿主微環(huán)境之間動(dòng)態(tài)交叉效應(yīng)的結(jié)果。缺氧導(dǎo)致機(jī)體微環(huán)境的pH呈酸性，也可促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞VEGF的釋放[30-31]。此外，缺氧狀態(tài)下HIF-1變得迅速穩(wěn)定下來并且表達(dá)量升高，進(jìn)而激活EPO的轉(zhuǎn)錄，而EPO通過激活蛋白激酶可激活腫瘤細(xì)胞蛋白酶活化受體2介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞活化，繼而觸發(fā)新生血管形成[32]。有研究表明，處于缺氧狀態(tài)下的前列腺癌細(xì)胞可釋放大量的組織因子，這些組織因子與微血管的形成密切相關(guān)。因此，控制好前列腺癌組織的氧合狀態(tài)能很好地抑制腫瘤微血管的形成，阻斷前列腺癌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移擴(kuò)散所需的能量。

四、缺氧促進(jìn)外泌體分泌而增強(qiáng)前列腺癌細(xì)胞侵襲

前列腺癌組織細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下分泌外泌體增多，使前列腺癌的適應(yīng)能力更強(qiáng)、惡性程度更高以及化療藥耐受性增加，進(jìn)而導(dǎo)致前列腺癌細(xì)胞難以根除，病情惡化。外泌體是從胞內(nèi)體(如溶酶體)脫落下來的含復(fù)雜RNA和蛋白質(zhì)的小囊泡，具有胞吞胞吐功能，主要作用是運(yùn)送細(xì)胞之間的生物活性分子。缺氧會(huì)促使外泌體分泌顯著增加，而外泌體中的RNA和蛋白質(zhì)通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在腫瘤缺氧微環(huán)境中發(fā)揮一系列作用，可導(dǎo)致前列腺癌異質(zhì)化、誘導(dǎo)前列腺癌相關(guān)成纖維細(xì)胞、促進(jìn)前列腺癌組織微血管生成及轉(zhuǎn)移侵襲等[33-35]。

已有實(shí)驗(yàn)表明[36]，與常氧狀態(tài)相比，缺氧情況下前列腺癌組織顯示出更高的金屬蛋白酶活性，多種信號(hào)分子如轉(zhuǎn)化生長因子-β2 (transforming growth factor-β2，TGF-β2)、腫瘤壞死因子1α(tumor necrosis factor，TNF1α)、白介素-6 (Interleukin-6，IL6)、腫瘤易感基因 101 (recombinant tumor susceptibility gene 101，TSG101)、人整合素連接激酶(recombinant human integrin linked kinase 1，ILK1)和β連環(huán)蛋白(β-catenin)表達(dá)水平升高。通過蛋白質(zhì)組分析發(fā)現(xiàn)，與常氧相比，缺氧狀態(tài)下的外泌體含有更多數(shù)量的蛋白(160 vs. 62)，表達(dá)增加的蛋白主要與上皮貼壁連接通路的重構(gòu)有關(guān)。重要的是，缺氧可靶向調(diào)控雄激素非依賴性前列腺癌細(xì)胞(PC-3)粘附連接蛋白的表達(dá)。這些研究結(jié)果表明，缺氧促使前列腺癌細(xì)胞分泌包含獨(dú)特蛋白質(zhì)的外泌體，后者通過靶向粘附連接分子增強(qiáng)侵襲性、莖干性和誘導(dǎo)微環(huán)境變化，從而促進(jìn)PCa侵襲性生長。因此，研究缺氧微環(huán)境中的外泌體可能會(huì)開拓癌癥治療的新思路。

五、結(jié)語

綜上所述，前列腺腫瘤組織缺氧微環(huán)境的產(chǎn)生有利于前列腺癌細(xì)胞生存，是前列腺腫瘤細(xì)胞惡性進(jìn)展關(guān)鍵性因素之一。缺氧微環(huán)境和前列腺癌細(xì)胞之間的相互作用，促進(jìn)了前列腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，形成了惡性循環(huán)。缺氧微環(huán)境促使前列腺癌細(xì)胞多種因子和信號(hào)通路的改變，如HIF-1、VEGF、HIF/PHF8/AR通路等。由此可見，缺氧微環(huán)境的形成對于前列腺癌尤其晚期的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。了解缺氧微環(huán)境與前列腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移之間的相互作用關(guān)系，有助于識(shí)別藥物干預(yù)的潛在靶點(diǎn)，以便抑制前列腺癌細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移。